Современные средства накопления информации

Общие сведения. Появление наскальных рисунков и надписей свидетельствует о стремлении человека еще в древние времена сохранить свои наблюдения, передать их потомкам. Позднее стали писать на глиняных пластинах, свитках папируса, а примерно два тысячелетия назад появился и поныне самый распространенный носитель информации — бумага. Но вот наступил век электроники и принес в повседневную жизнь еще одну новинку — ЭВМ — своеобразный кладезь премудрости человека. Бумага, верой и правдой служившая человеку долгое время, начинает постепенно сдавать некоторые области своей абсолютной монополии. Сейчас важнейшее место в развитии цивилизации отводится электронной вычислительной технике, в первую очередь получившим широкое распространение персональным компьютерам.

Представляют интерес некоторые цифры, характеризующие объем
информации, накапливаемой человечеством. Одна книга среднего фор
мата содержит около 1 млн. байт информации. Крупнейшая в мире биб
лиотека Конгресса США хранит примерно 20 млн. книг и 3, 5 млн. единиц
звукозаписи, что вместе составляет приблизительно 2 Петабайта
(1 Пбайт = 10^l5 байт). По оценке ЮНЕСКО, в мире ежегодно печатается
около 100 терабайт (100 • 10¹² байт) нового текста (без учета переизда-
22 - 3290 337

ний), в том числе 10 тыс. газет, издающихся в разных странах. Ежегодно в мире выпускается примерно 5000 кинофильмов, а всего со времен братьев Люмьер, французских изобретателей, создавших в 1895 г. первый киноаппарат, в виде кинофильмов выпущено около 1 Пбайта информации. Профессионалы и любители делают ежегодно 50 млрд. фотоснимков, что составляет примерно 0, 5 Пбайт. На телевизионные передачи приходится 100 Пбайт. Информация, передаваемая по телефону во всем мире, оценивается в несколько тысяч петабайт. Приведенные цифры впечатляют — человечество оказалось в колоссальном информационном океане. Чтобы свободно плавать в таком безбрежном океане, создаются локальные и глобальные сети, объединяющие множество персональных компьютеров.

По объему накапливаемой информации и скорости ее обработки возможности персональных компьютеров все же ограничены: на современном персональном компьютере можно хранить всего лишь десятки гигабайт информации. Во многих отраслях — банковское дело, системы резервирования и реализации авиа- и железнодорожных билетов, метеослужба и компьютерное производство видеофильмов — требуется обрабатывать сравнительно большие объемы информации с высокой скоростью и, следовательно, нужны большие компьютеры и суперкомпьютеры.

В последнее время наряду с суперкомпьютерами разрабатываются сравнительно небольшие компьютеры с миниатюрными накопителями информации. Самый маленький в мире накопитель информации в виде жесткого диска памяти производит американская фирма IBM. По размерам он сравним с отечественной пятирублевой монетой, однако объем его памяти достаточно большой — 340 Мбайт. Этот миниатюрный диск очень удобен для карманных компьютеров и цифровых фотоаппаратов. На винчестер-малютку можно записать несколько сотен цветных фотографий, а затем распечатать на принтере или перевести в память большего компьютера.

Все виды ЭВМ, в том числе большие и малые компьютеры, содержат запоминающее устройство — тот или иной накопитель информации, или память. Память — это то, что наделяет ЭВМ интеллектуальными признаками и что существенно отличает ее от других машин и механизмов.

Память человека и память ЭВМ. Память — несомненно, один из важнейших атрибутов человека. Развитый, утонченный и вместе с тем изощренный аппарат памяти, пожалуй, это основное, что выделяет человека среди других представителей живого мира. Не только запоминание окружающего (это неосознанно делают и животные), но и воспоминание, логическое осмысление, многократное обращение сознания к хранилищу памяти и извлечение из него всего того, что нужно в данный момент, — на это способен лишь человек, наделенный разумом. 338

Совокупная память всех людей, коллективная память человечества, материализованная в многочисленных книгах, картинах, нотах, фотографиях, чертежах, кинофильмах, архивных документах и во многом-многом другом, вне всякого сомнения образует один из основных краеугольных камней фундамента человеческой цивилизации. За последние десятилетия разнообразные технические средства накопления и хранения информации пополнились еще одним — наиболее универсальным и гибким — памятью ЭВМ, которой во все большей степени отводится постоянно возрастающая роль в совершенствовании ЭВМ, и, следовательно, в развитии общества в целом.

Сегодня ЭВМ стала главным инструментом, с помощью которого осуществляется управление информационными потоками. Так в общих чертах выглядит современная картина. О памяти ЭВМ известно гораздо больше, чем о памяти человека, его сознательной и бессознательной деятельности. Надпись «Познай самого себя», начертанная у входа в дельфийский храм Аполлона, актуальна и по сей день. Память человека обладает индивидуальными, многогранными, удивительными и большей частью не объясненными пока свойствами. Цицерон считал, что «для ясности памяти важнее всего распорядок; поэтому тем, кто развивает свои способности в этом направлении, следует держать в уме картину каких-нибудь мест и по этим местам располагать воображаемые образы запоминаемых предметов». Примерно по такому принципу построена и память ЭВМ. Из приведенных образных сравнений понятно, что память ЭВМ по многим параметрам отстает от мозга человека. И мы непременно «должны учиться у природы и следовать ее законам», как утверждал Н. Бор.

И творческая, и подсознательная деятельность, и другие ее виды, часто объединяемые одним словом «чувство», применительно к памяти ЭВМ можно отнести к искусственному интеллекту, привлекающему внимание многих исследователей.

Высокая плотность записи, большая емкость памяти, высокое быстродействие, способность восприятия и аналоговой, и цифровой информации, возможность оперативного доступа к данным, сочетание адресного и ассоциативного поисков, объединение последовательного и параллельного принципов ввода-вывода информации, отсутствие механически перемещающихся узлов, высокая долговечность и надежность хранения — вот те основные качества, которыми хотелось бы наделить разрабатываемые долговременные запоминающие устройства.

Технологические возможности реализации высокой информаци
онной плотности. Запоминающие устройства большинства моделей
ЭВМ основаны на магнитной записи. Прогнозы специалистов показыва-
339

ют, что в ближайшем будущем устройства магнитной записи останутся доминирующими на мировом рынке информационной техники.

С развитием средств вычислительной техники растет и будет расти спрос на запоминающие устройства небольших размеров, способные хранить большой объем информации. В этой связи проблема повышения информационной плотности записи — одна из важнейших в совершенствовании запоминающих устройств большой емкости.

В запоминающих устройствах на подвижном магнитном носителе, где основное — это накопление информации, фактором первостепенной важности является поверхностная информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящейся на единицу площади поверхности рабочего слоя носителя записи. Поверхностная информационная плотность записи зависит от плотности записи вдоль одной дорожки (продольной плотности) и числа самих дорожек на единицу длины в поперечном относительно движения носителя направлении (поперечной плотности). Из теоретических расчетов следует, что продольная плотность записи информации на магнитном носителе может достигать 20 000 бит/мм. Если в настоящее время в лучших магнитных накопителях продольная плотность около 5000 бит/мм, то становится понятным, какие возможности еще не реализованы.

Магнитная запись с перпендикулярным намагничиванием, когда пе-ремагничивание рабочего слоя осуществляется в его перпендикулярной плоскости, обеспечивает существенное повышение информационной плотности записи. Так, в лабораторных образцах накопителей уже достигнута продольная плотность, составляющая более 10 000 бит/мм. Для этого применяется записывающий элемент толщиной 0, 1 мкм. При его ширине 0, 1 мкм поверхностная плотность записи информации равна 100 бит/мкм², что примерно на два порядка больше предельно возможной плотности в оптических накопителях. Воспроизведение информации, записанной с такой высокой плотностью, производится с помощью высокочувствительных магниторезистивных преобразователей.

Голографическая память. Быстродействие памяти зависит от длительности процессов записи, поиска и воспроизведения информации. Увеличение емкости памяти требует и роста скорости обмена информацией. Существенно повысить быстродействие в результате модернизации дисковых накопителей информации — задача довольно трудная. Нужна другая идейная концепция. Оказывается, такая концепция известна и уже привела к некоторым результатам. Речь идет о голографической памяти. Она основана на применении лазерного излучения и позволяет реализовать многие свойства, присущие памяти человека.

Однако прошли десятки лет с начала разработки голографической памяти, а реальных, конкурентоспособных устройств, которые можно было

бы отнести к промышленным, а не к лабораторным, до сих пор нет. В чем же дело? Все тот же известный диссонанс идейных концепций и элементной базы. Транзистор, интегральная схема, микропроцессор — элементы, в свое время определявшие лицо вычислительной техники и не только параметры конкретных ЭВМ, но и идеологию научно-технического прогресса. Появился лазер — и возникли новые отрасли естествознания: квантовая радиофизика, топография, нелинейная оптика. Хотя идейные основы данных отраслей предложены гораздо раньше, но только лазер дал им жизнь. С применением полупроводниковых лазеров созданы оптические дисковые накопители.

С голографической памятью ситуация, увы, иная. Используемые в лабораторных разработках ее элементы — газовые лазеры, разнообразные оптические затворы и др. — пока еще несовершенны: как правило, они громоздки, недолговечны, сложны в изготовлении и эксплуатации, в них используются разнородные материалы. Приходится констатировать, что элементная база голографической памяти для промышленного производства еще не создана.

Правда, в последнее десятилетие в развитии ряда направлений опто-электроники достигнуты определенные успехи, которые косвенно, а иногда и прямо способствуют решению рассмотренной проблемы. Созданы полупроводниковые лазеры с высокой степенью когерентности излучения, позволяющие записывать качественные голограммы. Развивается интегральная оптика, в рамках которой традиционные объемные оптические элементы заменяются тонкопленочными. Например, тонкопленочные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в несколько вольт, при этом время переключения менее 1 нс.

Нейронные сети. В 80—90-е годы XX в. прогресс в развитии вычислительной техники многие связывают с созданием искусственных нейронных сетей. Успехи в разработке и использовании нейрокомпьютеров определяются их принципиально новым свойством — возможностью эффективного самообучения в ходе решения наиболее сложных задач. По своей сути нейрокомпьютер является имитацией нейронной сети мозга человека.

Используя терминологию вычислительной техники, можно сказать, что нейрон является бинарной ячейкой. Он может находиться либо в возбужденном, либо в невозбужденном состоянии, которое изменяется в результате взаимодействия с другими нейронами. В нейронной сети полезная информация запоминается не отдельными нейронами, а группами нейронов, их взаимным состоянием. Каждый нейрон в большей или меньшей степени связан примерно с 10⁴ нейронами. Принимая внешнюю информацию и обмениваясь внутри головного мозга, каждый отдельный нейрон имеет возможность последовательно приближаться к принятию в

сложной внешней обстановке решения и переходу в нужный момент в нужное (возбужденное либо невозбужденное) состояние. Чем больше объем нейронной сети, тем более сложную задачу можно решить с ее помощью.

К настоящему времени производится моделирование нейронных сетей. Магнитооптические управляемые устройства уже сегодня позволяют сформировать высококачественный массив информации, скорость обработки которого по алгоритму нейронной сети существенно превосходит возможности человеческого мозга.